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锂电池纳米硫正极与凝胶聚合物电解质的研究

【摘要】:单质硫理论比容量高,同时具有低成本、低毒性、环境友好等优点,可望成为新一代高能二次锂电池的正极材料。但是,单质硫作为正极材料也存在着一些问题,一方面单质硫所固有的电子绝缘性使其表现为电化学钝性;另一方面硫电极的放电中间产物多硫化物具有较高的溶解性,易造成活性物质的损失,并且破坏电池体系的循环稳定性。为了解决硫电极存在的关键问题,本文以不同形态的碳材料作为单质硫的载体,通过简单的化学沉积法制备了高容量单质硫-碳复合材料,该类材料导电性良好、电化学可逆性高。通过简单的静电纺织法制备高孔隙率的聚合物电解质膜,与离子液体电解液结合制备高安全性的凝胶聚合物电解质,能够有效抑制多硫化物在电解液中的溶解,提高锂硫电池的循环稳定性。 分别以活性纳米碳和碳纳米纤维为单质硫的载体,通过化学沉积法制备了具有核壳结构的纳米碳-硫复合材料。活性纳米碳-硫复合材料与碳纳米纤维导电剂组成的电极首次放电容量高达1200mAh/g,50次循环以后保持为668mAh/g。碳纳米纤维-硫复合材料与羧甲基纤维素钠(CMC)+丁苯橡胶(SBR)粘结剂制备的电极首次放电容量达1313mAh/g,60次循环后仍然保持586mAh/g。高导电性的活性纳米碳与碳纳米纤维能够提高活性物质单质硫的导电性,碳纳米纤维能够为硫电极提供网状的导电网络结构。 以高温碳化法制备多孔纳米碳和多孔碳纳米纤维,分别作为纳米硫的载体,通过简单的化学沉积法制备多孔纳米碳-硫复合物和多孔碳纳米纤维-硫复合物。以多孔纳米碳-硫复合材料为正极的锂电池在0.05C(1C=1672mA/g)下100次循环后的容量仍然保持为740mAh/g以上。硫含量为42%的多孔碳纳米纤维-硫复合物在0.05C(1C=1672mA/g)下30次循环后仍然保持其85%的容量。多孔纳米碳和多孔碳纳米纤维材料不但具有良好的导电结构,并具有较强的吸附能力能有效的阻住充放电过程中产生的多硫化物在电解液中溶解,从而提高电池性能。 以氧化石墨烯为单质硫的载体,通过化学沉积法制备氧化石墨烯-硫复合材料。氧化石墨烯在热处理后具有更好的电导率,并且其独特的层状结构能够为硫提供良好的导电网络,有效的抑制多硫化物在电解液中的溶解,并能够缓冲电极充放电过程引起的体积变化。电池在0.1C(1C=1672mA/g)下首次放电容量为1000mAh/g,50次循环后容量保持954mAh/g。 通过静电纺织法制备高孔隙率的聚合物电解质膜,并与不同的离子液体结合制备新型凝胶聚合物电解质。聚丙烯腈/聚甲基丙烯酸酯(PAN/PMMA)聚合物膜与离子液体N-甲基-N-丁基吡咯烷二(三氟甲基)酰亚胺(PYR_(14)TFSI)结合制备新型凝胶聚合物电解质应用于在锂/磷酸铁锂(Li/LiFePO_4)电池中,电池0.2C(1C=1672mA/g)首次放电容量高达134mAh/g,50次循环后保持其92%的容量;应用于锂/硫(Li/S)电池中,与传统有机电解液相比,容量得到极大的提高。以碳纳米纤维-硫复合物为正极和PAN/PMMA聚合物膜与电解液N-甲基-N-丁基哌啶二(三氟甲基磺酰)亚胺(PPR14TFSI):聚乙二醇二甲醚(PEGDME)(1:1)组成的凝胶聚合物电解质组成新型锂硫电池系统,电池在0.1C(1C=1672mA/g)下50次循环后容量仍能保持760mAh/g。

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